從通訊衞星結構原理到太空高速網際網絡「星鏈」計劃｜STEM教室

2024-12-18 14:00

相信大家都知道地球有一個天然衞星，這就是月球。月球距離地球約三十八萬公里，並以大約一個月的時間圍繞地球轉一圈，根據月相周期，我們每天都會看到不一樣的月亮。但你們對同樣圍繞地球轉的人造衞星又有多少認識呢？自1957年蘇聯發射全球第一顆人造衞星史普尼克1號以來，我們發射了多少顆人造衞星上太空？答案是，截自2024年5月，人造衞星數量已接近九千顆。衞星應用非常廣泛，我們今期以通訊科技為主題，講解衞星如何與身在地球的我們通訊，以及了解近期有關「星鏈」系統的消息。

1957年蘇聯所發射的全球第一顆人造衞星史普尼克1號。

截自2024年5月，人造衞星數量已接近九千顆。

基本航天動力學初探

衞星在發揮其作用前，首先當然要把它發射升空。衞星不能自動飛起來，因此我們需要利用運載火箭把它放進適當軌道。至於火箭如何升空，背後原理與牛頓第三定律有關，亦即作用力與反作用力相等但方向相反，當火箭燃料向下噴出，反作用力就能令火箭向上爬升，當到達相應軌道時，衞星便與火箭分離，然後自己圍繞地球運行。

衞星不能自動飛起來，因此我們需要利用運載火箭把它放進適當軌道。

計算向心力與重力

因應不同應用，我們對衞星的軌道高度（亦即與地球之間的距離）及速度均有一定要求，而高度和速度相互之間其實是有關係的。根據牛頓第一定律，物件在沒有外力影響下，會以直綫運動（或處於靜止狀態）。假設衞星以圓周運動圍繞地球運行，亦即物件受向心力影響，向心力（F_centripetal ）的方程式為：

$F_{c e n t r i p e t a l} = m \frac{v^{2}}{r}$

m 此時是衞星質量，v 是物體速度，r 則是圓周的半徑（亦即與地球中心，而非表面的距離）。圓周運動代表方向持續改變，根據第一定律，物體即是受到外力影響，而這正是地球的重力。利用牛頓引力定律，重力（F_gravitation）為：

$F_{g r a v i t a t i o n} = \frac{G M m}{r^{2}}$

G 是萬有引力常數（6.67*1011 Nm2/kg-2），M在這裏是地球質量。把向心力與重力聯繫起來（F_centripetal = F_gravitation），我們就得出：

$m \frac{v^{2}}{r} = \frac{G M m}{r}$

$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}$

另外，圓周長度為2πr，圍繞地球一周的時間 T 為 2πr/v，因此，我們看到當軌道高度（r）愈大，衞星速度（v）會變慢，而且完成圍繞地球一周的時間也較長。換句話說，要指定衞星的運行周期，我們可以安排把衞星放在某一軌道（之後我們會有例子來看這些物理參數的關係）。

圖一：於加拿大曝光六分鐘的星空圖片

弧綫為星流迹，因地球自轉而看似圍繞中心的北極星轉。另外一道斜綫為國際太空站的軌迹，它距離地球表面約400公里，按上述公式計算，圍繞地球一周約90分鐘。在香港，我們也有機會看到國際太空站在夜空劃過，它不像飛機會有紅燈或燈光閃爍，而是由於其巨型太陽能板反射太陽光綫，因此看上去是一個明亮的白點。（EarthSky資料）

國際太空站在夜空中劃過，看上去是一個明亮的白點。

大家亦可以透過「Spot the Station」App去觀測天上的國際太空站。（International Space Station@X）

通訊衞星的結構和原理

通訊衞星，顧名思義就是與地球通訊的衞星，而我們知道需要天綫才能接收及發送信號，通訊衞星當然也不例外。從圖二所見，衞星的中央部分就是天綫（antenna），其鑊形結構能收集從地球而來的信號，並聚焦到一個處理器內。這個處理器稱為轉發器（transponder），可以說是衞星的心臟，因為資訊都要經它處理才能送回地球。

圖二：通訊衞星結構

我們能清楚看到鑊形天綫，負責接收及發射信號；兩側太陽板原本是摺疊的，被火箭運上太空後才展開；中間部分則包含如轉發器、推進器等多個部件。（NATO資料）

轉發器功能三部曲

轉發器有幾個功能：

通過特定頻率的過濾，它會把雜訊濾走（noise filtering）；
由於地球到衞星（並再返回）的途程遙遠（數百至數萬公里不等），資訊會隨空間傳播而變弱，轉發器能夠把信號放大（signal amplification），確保返回地球後信號強度仍足夠；
頻率調節（frequency change），亦即先接收某個頻率的信號，然後將之調整至地球所需要的頻率。通過這些步驟，衞星就能把信號發回地球。

推進器助重回正軌

當然，要做到通訊，還須要解決一些技術問題。首先，轉發器要完成多個工序，需要能源支持，因此衞星配有大型太陽能板（solar panel），以及一個能偵測太陽位置的感應器（sun sensor），把太陽能板調校至受到最多陽光照射的角度。那麼當衞星繞到地球背面，地球把太陽光屏蔽了，可以怎麼辦？其實，衞星內部亦設有電池，以供「黑夜時」使用。

另外，我們之前設定衞星是以圓形軌道環繞地球，這是假設地球擁有一個均勻引力場的結果。然而現實上，地球並非一個完美球體，其質量分布並非完全平均，兼且太空中還有太陽及月球等提供引力，因此衞星並非身處一個均勻引力場。這樣，衞星有時會被帶離預定軌道，因此我們亦要加裝推進器（thruster），把衞星推回正確軌道。

位於加州的衛星製造工廠內的先進極高頻通信衛星(AEHF)半製成品。©Lockheed Martin

從衞星電視看星鏈的突破

通訊衞星用途廣泛，我們就以直播衞星（Direct broadcast satellite, DBS）電視為例，看看衞星如何做到通訊。

發放「頻道」加工入屋

當電視台製作節目後，會把節目信號發射至通訊衞星，並經衞星裏的轉發器進行頻率調節等工序，再發放出來時就是一個「頻道」。這時DBS服務供應商會與電視台達成獲取頻道的協議。一個供應商可與多個電視台達成協議，從而能夠獲得多個頻道。供應商以天綫收集頻道後，會再作加工，例如MPEG視訊壓縮、位元速率統一化（位元速率（bit rate）大約等同資訊傳輸速率），以及加密信號等。加工完成後，供應商會再次把節目資訊射上通訊衞星，然後每家每戶就可在家中安裝天綫並對着這些衞星接收信號，並利用盒子把信號解密。

圖三：直播衞星電視通訊方式

由節目來源到家中觀看，須要來回太空兩次。（HowStuffWorks資料）

當電視台製作節目後，會把節目信號發射至通訊衞星。©NASA

直播衞星服務供應商會以天綫收集頻道。©NASA

計算地球靜止軌道

我們可以從運作看到一些特點。首先，我們知道通訊衞星會圍繞地球運行，那麼家中的天綫豈非不能經常指向通訊衞星？不然，因為我們可以將衞星的運行周期與地球自轉速度設為一致（即一天），從而做到猶如在地面望上去永遠懸浮在某一點般，這樣就不用時刻調校天綫方向。

根據上文的方程式，指定了衞星環繞地球的周期，我們就能計算出衞星需要的速度及與地球中心的距離。現在，把 T 設定為一天（嚴格來說是23小時56分鐘4秒），我們便能找到 r 等於42164公里，考慮到 r 是衞星與圓心的距離以及地球半徑（6378公里），即是我們要把衞星放到距離地面 35786 公里的高度。這高度亦稱為地球靜止軌道（geostationary orbit）。

信號延遲上網緩慢

然而，值得大家留意的是，光速為每秒三十萬公里，因此要來回太空兩次，信號其實延遲了達0.5秒，因此假若要用這距離的衞星提供上網功能是不理想的。另外，電視頻道數量遠比網絡的為少，網絡「交通」亦比電視擠塞，因此我們上網觀看影片有時會看到緩衝畫面。可想而知，利用遙遠衞星作上網通訊用途將會十分緩慢。

圖四：星鏈衞星陣列預想圖

馬斯克公司的「星鏈」（Starlink）衞星全都放在近地軌道（low Earth orbit），以解衞星通訊決延遲問題。（Mark Garlick/Science Photo Library）

近地軌道解決延誤

不過，馬斯克公司的「星鏈」（Starlink）系統則針對這些限制進行突破。要解決延遲問題，星鏈衞星全都放在近地軌道（low Earth orbit），距離地面只有數百公里，就能減少光行走的時間。然而，我們知道距離地球愈近，運行速度愈快，要每個時刻都有衞星覆蓋，就要非常多的衞星。這亦正是馬斯克的構想，預計系統在未來數年會有 42,000 顆衞星在不同的低軌道上，從而覆蓋地球每個角落。衞星愈多亦有望穩定網絡速度，現時速度約為 300Mbps，延遲約 20ms；而星鏈鏈路已開始發展至下一階段，強調衞星之間的通訊與聯繫。

我們知道人們使用光纖的原因是因為地面傳輸距離較地面與衞星之間來回為短，但要留意的是，光纖折射率約為 1.48，比太空（即真空）高（折射率為 1），而折射率愈低，光速則愈快，因此假若把衞星帶到較低軌道，速度或能與地面傳輸看齊。當全部四萬多顆衞星都發射上太空後，星鏈期望速度能達 10Gbps。

60顆「星鏈」（Starlink）衛星距離地面只有數百公里，堆疊在一起。（2019年5月24日）。

補充資料

星鏈的應用與挑戰

星鏈近期較矚目新聞莫過於提供網絡給處於戰亂的烏克蘭使用，其實二月初湯加發生火山爆發時，星鏈亦有給予網絡支援。星鏈之所以較方便，是由於通訊全由其衞星以及我們購買星鏈服務時所提供的小型天綫作聯繫，不需要安裝信號塔以及鋪設光纖；而天綫是一種稱為相位陣列（phased array）的天綫，只要安裝在看到天空的地方，就不用因為衞星快速運行而要改變瞄準方向，從而輕易連上網絡。

馬斯克構想將來會有 42,000 顆衞星在不同的低軌道上，從而覆蓋地球每個角落。星鏈系統會讓國家防火城牆不擊而潰，spaceX估計組網耗資100億美元。截至2023年2月，星鏈工程在軌衛星數量已超過3,500顆。

增加太空垃圾

當然，由於星鏈現時並未發射全部衞星上太空軌道，因此暫不能覆蓋所有地方。不過在等待其他衞星的發射以真正展現其科技潛力時，我們也不能忽視星鏈正面臨的挑戰。首先，除了星鏈，現在也有如 Amazon 的 Project Kuiper 等競爭項目，屆時或會上演一場「太空屬地」之爭。再者，人造衞星是太空垃圾來源之一，而失去控制的太空垃圾會對其他衞星的航行安全產生巨大威脅，一旦碰撞，將會帶來更多碎片，危害更多航行物體的安全。如果未來除了星鏈，還有大量通訊衞星都放在近地軌道，這些軌道會變得擁擠，增加碰撞機會。有見及此，馬斯克表示未來星鏈衞星會發展防止碰撞功能，在偵測到有可能與其他衞星碰撞前自行調整軌道。

人造衞星是太空垃圾來源之一。

太陽活動添變數

然而，「人算不如天算」，原來太陽也能對衞星產生影響。同在二月初時，太陽表面活動產生了一股強烈太陽風暴。我們或許聽過最強的風暴甚至能影響地球電力供應，而這次所帶來的帶電粒子則令地球大氣變暖，從而增加其密度。那時剛發射的星鏈衞星就因與較高密度的大氣層摩擦增加，其阻力終令衞星脫離軌道，還要在大氣層內燒毀。

面對種種困難，我們就看看星鏈以及衞星通訊科技未來還會如何突破吧！

圖五：星空圖

除了太空安全，星鏈系統還對天文觀測帶來影響。回顧圖一，我們已看到國際太空站的蹤影，而距離更近的星鏈衞星所帶來的痕迹則更明顯。由於拍攝遙遠星體需要一段曝光時間，而衞星的太陽能板非常反光，因此會令星空圖片出現明亮白綫，不利觀測星體。（vox.com資料）

國際天文聯合會公佈的天文觀測受到影響的實例。國際天文聯合會

夜空中的星鏈衛星（Starlink）。© Vito Technology, Inc.

關於星鏈系統對天文觀測帶來影響的問題，馬斯克建議將天文望遠鏡放入軌道。

文：劉心圖：星島圖片庫、維基百科、網上圖片

補充資料：EarthSky、International Space Station@X、NATO、Lockheed Martin、HowStuffWorks、NASA 、Space.com 、vox.com、Starwalk@Vito Technology, Inc.

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